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电工技术基础 如何设计灵活的4~20mA压力传感器变送器？
电路功能与优势
图4-42所示电路是一款灵活的电流发送器，可将压力传感器的差分电压输出转换为4～20mA电流输出。该电路针对各种桥式电压或电流驱动型压力传感器而优化，仅使用了5个有源器件，总不可调整误差低于1%。电源范围为7～36V，具体取决于元件和传感器驱动器配置。该电路的输入具有ESD保护功能，并且可提供高于供电轨的电压保护，是工业应用的理想选择。
电路描述
该设计提供完整的4～20mA发送器压力传感器测量解决方案。有三个重要的电路级：传感器激励驱动、传感器输出放大器和电压一电流转换器。
电路所需总电流（不计电桥驱动电流和输出电流）为5.23mA（最大值），如表4-1所示。
激励：电压驱动配置
需使用电压驱动或电流驱动，具体取决于所选压力传感器。该电路使用四分之一的ADA4091-4
(U2A)，并通过开关S1选择不同配置，支持两种选项之一。图4-43显示电压驱动配置，SI位置最靠近识别标志。电压驱动通常采用该级的增益（I+R5/R6）配置为6V电桥驱动电压。
其他驱动电压可通过适当改变电阻比获得：
请注意，电源电压VcC应至少比电桥驱动电压高0.2V，以便让U2A具有足够的裕量。ADA4091-4：
VCC≥VDRjVE+0.2V
图4-43中各元件的参数值：R5=2kQ，R6=lOkQ，/DRIVE=2mA，VDRIVE=6V，Vcc≥6.2V。
该电路选择运算放大器ADA4091-4，因为它具有低功耗（每个放大器250ltA）、低失调电压(250μV)以及轨到轨输入输出特性。
因为ADR02的精度（A级：0.1%，B级：0.06%）和低静态电流(0.8mA)特性，选用ADR02作为SV基准电压源。
激励：电流驱动配置
通过将SI移动至离开识别标志最远的位置，便可将电路切换至图4-44所示的电流驱动配置。
在电流驱动模式中，电路配置为R4=2.5kQ且/DRIVE=2mA。
使用下式选择R4值，可获得较低或较高的/DRIVE值。
在图4-44中，RBRIDGE=3kΩ,/DRIVE=2mA,VDRIVE=11V,Vcc≥11.2V.
电桥输出仪表放大器和失调补偿电路
电桥输出采用带宽为39.6kHz的共模滤波器(4.02kQ、InF)以及带宽为1.98kHz的差模滤波器( 8.04kQ、lOnF)滤波。
AD8226是理想的仪表放大器选择，因为它具有低增益误差（0.l%，B级）、低失调（G=16时58μV，B级；G=16时112μV，A级）、出色的增益非线性度(75xl0-6=0.0075%)以及轨到轨输入输出特性。
AD8226仪表放大器使用R3=3.28kQ的增益设置电阻，放大lOOmV FS信号16倍到1.6V。增益G和R3的关系如下：
其中，G=16、R3=3.2933kQ。为R3选择最接近的标准0.05%值(3.28kQ)，得到增益G=16.06，总增益误差为+0.4%。
对于OV电桥输出而言，输出环路电流应当为4mA。只需将+0.4V失调施加于AD8226仪表放大器的REF输入即可获得该数值，如图4-42所示。+0.4V来自ADR02 SV基准电压源，使用分压器电阻R7/R8并利用U2B缓冲电压即可。
使用ADR02 SV基准电压设置电桥的驱动电压或电流，以及设置4mA零电平失调。其初始精度为0.06%（B级），并且具有lOμV峰一峰值电压噪声。此外，它可以采用高达36V的电源电压工作，且功耗不足1mA，是低功耗应用的理想选择。
电压电流转换
AD8226的O—lOOmV输入可在VOUT产生0.4～2.OV的输出摆幅。U2C缓冲器将此电压施加于R13的两端，产生相应的0.4～2.OmA电流/13。晶体管Q1随后将/13电流镜像到R12，所得电压施加于R15，由此实现4～20mA的最终环路电流。晶体管Q1应具有至少300的高增益，才能最大程度减少基极电流引起的线性误差。
输出晶体管Q2是一个40V P沟道MOSFET功率晶体管．25℃时功耗为0.75W。在20mA输出电流输入至0环路负载电阻且Vcc电源为36V时，电路具有最差情况下的功耗。这些条件下的Q2功耗为0.68W。然而，通过选择合适的Vcc，使其至少高出最大环路负载电压3V，就能大幅减少Q2功耗。这样便可确保检测电阻R15两端的电压降具有足够的裕量。
电源电压要求
若要使电路正常工作，电源电压Vcc必须大于7V，以便为ADR02基准电压源提供充分的裕量。
最小Vcc电源电压同样取决于电桥的驱动电路配置。在VDRIVE=6V的电压驱动模式下，电源电压VCc必须大于6.2V，这样U2A才能保持足够的裕量（见图4-43）。在电流驱动模式下，电源电压Vcc必须大于11.2V，这样U2A才能保持足够的裕量（见图444）。
VCC电源电压限值为36V（最大值）。
有源元件的误差分析
表4-2和表4-3分别表示系统中因有源元件造成的AD8226和ADR02的A、B级最大误差及RSS误差。请注意，运算放大器ADA4091-2仅在一种等级水平下可用。
总电路精度
对电阻容差导致的总误差的合理近似推算是假设每个关键电阻对总误差贡献都相等。6个关键电阻是R3、R7、R8、R12、R13和R15。O.1%电阻导致的最差情况下的容差可造成0.6%总电阻误差最大值。若假定RSS误差，则总RSS误差为o．1√6=o．245%。
将0.6%最差情况下的电阻容差误差加入到前文中由于有源元件（A级）造成的最差情况误差中，
可得：
·失调误差=0.1 9%+0.6%=0.79%
·增益误差=0.15%+0.6%=0.75%
·满量程误差=0.34%+0.6%=0.94%
这些误差假定选用电阻计算值，因此误差仅来源于其容差。虽然电路允许具有1 %或更低的总误差，
若要求更佳的精度，则电路需具备失调和增益调节能力。针对4mA输出和零电平输入，可通过调整R7或R8来校准失调，然后针对满量程lOOmV输入，通过改变R3调节满量程。这两项调节是相互独立的；假定首先进行失调校准。
电路的实际误差数据见图4-45，其中Vcc=25V。输出电流总误差(%FSR)通过将理想输出电流与测量输出电流的差除以FSR (16mA)，然后将计算结果乘以100即可算出。
常见变化
经验证，采用图中所示的元件值，该电路能够稳定地工作，并具有良好的精度。可在该配置中使用ADI公司的其他基准电压源、精密运算放大器和仪表放大器以建立4～20mA模拟电流输出，用于本电路的其他应用中。
针对多输入通道应用，还可使用双通道、低成本、宽电源范围仪表放大器AD8426。
针对低电源电压应用，可使用高精度、低功耗、低噪声基准电压源ADR4550代替ADR02。
电路评估与测试
①设备要求：
·EVAL-CN0295-EBIZ评估板
·Agilent E36311A精密直流电源
·Yokogawa 2000精密直流电源
·Agilent3458A精密万用表
评估板电流输出的线性误差采用图4-46中的设置进行测量。
②测试：
使用Agilent E363IA和Yokogawa 2000精密直流电源为评估板供电，并仿真传感器输出。AgilentE3631A的CH2设为25V，用作评估板电源；另一通道CHI设为2.5V，用以产生共模电压。该通道与Yokogawa 2000串联连接，如图4-46所示。
Yokogawa在仪表放大器输入端产生O～lOOmV差分输入电压，可仿真传感器输出。
Agilent 3458A用于测量评估板的实际电流输出，与Jl串联连接。
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